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CN106500741A - 一种基于铌酸锂相位调制器的相位生成载波解调装置及方法 - Google Patents

一种基于铌酸锂相位调制器的相位生成载波解调装置及方法 Download PDF

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吴国俊
吕沛
王皓
刘博�
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Abstract

本发明提供了基于铌酸锂相位调制器的相位生成载波解调装置及方法，该装置包括光纤传感器探头、第一3dB耦合器、铌酸锂相位调制器、第二3dB耦合器、数据采集卡和计算机，光纤传感器探头接入第一3dB耦合器，第一3dB耦合器将光信号分为两路，一路通过铌酸锂相位调制器接入第二3dB耦合器，另一路直接接入第二3dB耦合器，第二3dB耦合器与数据采集卡相连，数据采集卡与计算机相连。本发明可以对需要探测声音、温度、应变等参数的光纤传感系统进行解调，同时提高系统的集成度和模块化水平。

Description

一种基于铌酸锂相位调制器的相位生成载波解调装置及方法
技术领域
本发明属于光纤传感技术领域，具体涉及一种基于铌酸锂相位调制器的相位生成载波解调装置及方法。
背景技术
相位生成载波(PGC)解调技术具有解调信号动态范围大、灵敏度高、线性度好、测相精度高等优点，是目前光纤传感相位干涉领域工程上较为实用的信号解调方法。PGC解调就是在干涉相差中产生一个解调信号带宽外的大幅度的确定的周期信号，以克服由于环境中诸如振动、温度等带来的低频慢漂信号所致的信号衰落；其始终保持传感器高灵敏度，通频带灵敏度一致性好等优点。PGC解调技术需要对干涉仪输出信号相位进行调制，通常的调制方法是在两臂等长的干涉仪的一臂用数匝光纤缠绕压电陶瓷(PZT)元件，把载波信号加到PZT上，利用其在载波信号的驱动下产生的电致伸缩效应，引起干涉仪一臂光纤长度、折射率发生变化，导致最后输出光波相位随载波信号有规律地变化，从而实现相位调制。然而PZT元件尺寸较大，缠绕光纤的制作工艺十分复杂，且采用PZT构造的干涉仪稳定性不高，不利于解调系统的模块化和集成化。
发明内容
本发明为解决背景技术中存在的上述技术问题，而提供一种基于铌酸锂相位调制器的相位生成载波解调装置及方法，可以对需要探测声音、温度、应变等参数的光纤传感系统进行解调，同时提高系统的集成度和模块化水平。
本发明的技术解决方案是：本发明一种基于铌酸锂相位调制器的相位生成载波解调装置，其特殊之处在于：该装置包括光纤传感器探头、第一3dB耦合器、铌酸锂相位调制器、第二3dB耦合器、数据采集卡和计算机，光纤传感器探头接入第一3dB耦合器，第一3dB耦合器将光信号分为两路，一路通过铌酸锂相位调制器接入第二3dB耦合器，另一路直接接入第二3dB耦合器，第二3dB耦合器与数据采集卡相连，数据采集卡与计算机相连。
上述铌酸锂相位调制器外接信号发生器。
上述铌酸锂相位调制器通过两根BNC线外接信号发生器。
上述光纤传感器探头通过传输光纤接入第一3dB耦合器。
上述数据采集卡通过PCI总线与计算机相连。
一种基于上述的铌酸锂相位调制器的相位生成载波解调装置的解调方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：
1)由光纤传感器探头传回的携带声音信息的光信号进入第一3dB耦合器后将被分为两路，一路进入铌酸锂相位调制器，一路继续在光纤中传输；
2)上述两路光在第二3dB耦合器合束，并发生干涉，形成了一个迈克尔逊光纤干涉仪；信号发生器发出余弦波，铌酸锂调制器所夹的调制电压V以余弦波形式变化，导致铌酸锂调制器中折射率随着载波频率的变化而变化，继而引起晶体中传输光波的额外相位变化，由铌酸锂调制器带来的相位变化为：
其中，c为光速，G为铌酸锂调制器电极间隙宽度，Γ为重叠积分因子，V为外接信号发生器的调制电压，l为波导长度，Δυ为由声信号作用引起的激光频率变化大小；干涉仪的输出为：
其中，A为与光功率成正比的常数项，B为与光源功率和干涉仪可见度相关的系数，为噪声相位。
3)输出光功率为I的干涉光信号传输到数据采集卡上，数据采集卡记录下输出光功率为I；
4)数据采集卡将输出光功率为I传输到计算机上，通过PGC算法进行解调，得到最终结果。
上述步骤2)中假设调制电压V可以表示为：
V＝VDC+Vmcos(ωmt) (3)
其中VDC为直流偏置电压，ωm为外接余弦波的频率，则输出光功率可以改写为：
其中，是相位中直流项与噪声项之和，是一个随时间缓慢变化的量，
上述步骤4)中PGC算法的详细步骤如下：
4.1)将干涉光进行贝塞尔函数展开，得：
4.2)将干涉光信号一路乘以一倍频Gcosω0t，一路乘以二倍频Hcos2ω0t，得
4.3)将经过乘法器的两路信号分别进行低通滤波，将所有含ω0及其倍频项均滤去，即
4.4)将经过低通滤波器的两路信号经过微分，得
4.5)分别将(8)式与(11)式相乘，(9)式与(10)式相乘，得
4.6)将(13)式减去(12)式，得
4.7)对(14)式积分，得
4.8)对(15)式进行高通滤波并消除系数GHB2J1(C)J2(C)，可将被测信号解调出来。
本发明具有以下优点：
1、本发明采用的铌酸锂调制器，制作其的铌酸锂晶体具有较大的电光系数，对调制信号响应延迟小，可以对激光的相位进行高精度、大幅度的相位调制，提高解调效果。
2、本发明采用的铌酸锂调制器采用新型波导技术，有效降低了光传输长度，可以在较短的长度内实现大范围的相位调制；
3、本发明易于集成，使用方便：国内外对于铌酸锂调制器的研究起步较早，商业产品丰富，且期间尺寸多控制在厘米级别，便于与其他器件集成。
附图说明
图1为本发明的系统结构图；
图2为本发明方法中PGC算法的原理图。
附图标号如下：
1-光纤传感器探头、2-传输光纤、3-第一3dB光纤耦合器、4-铌酸锂相位调制器、5-BNC线、6-信号发生器、7-第二3dB光纤耦合器、8-数据采集卡、9-PCI总线、10-计算机。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步描述，在本实施例中模拟对带有声音信息的输入光信号进行解调的过程。
如图1所示，本发明的装置包括光纤传感器探头1、第一3dB耦合器3、铌酸锂相位调制器4、第二3dB耦合器7、数据采集卡8和计算机10，所述光纤传感器探头1接入第一3dB耦合器3，第一3dB耦合器3将光信号分为两路，一路通过铌酸锂相位调制器4接入第二3dB耦合器7，另一路直接接入第二3dB耦合器7，第二3dB耦合器7与数据采集卡8相连，数据采集卡8与计算机10相连。铌酸锂相位调制器4外接信号发生器6。铌酸锂相位调制器4通过两根BNC线5外接信号发生器6。光纤传感器探头1通过传输光纤2接入第一3dB耦合器。数据采集卡8通过PCI总线9与计算机10相连。
本发明的方法如下：
1)由光纤传感器探头1传回的携带声音信息的光信号进入3dB耦合器2后将被分为两路，一路进入铌酸锂相位调制器，一路继续在光纤中传输。
2)两路光在3dB耦合器6合束，并发生干涉，形成了一个迈克尔逊光纤干涉仪；铌酸锂相位调制器采用两根BNC线4外接信号发生器5，信号发生器5发出载波频率为30kHz的余弦波，铌酸锂调制器所夹的调制电压V以30kHz的余弦波形式变化，导致铌酸锂调制器中折射率随着载波频率的变化而变化，继而引起晶体中传输光波的额外相位变化，由铌酸锂调制器带来的相位变化为：
其中，c为光速，G为铌酸锂调制器电极间隙宽度，Γ为重叠积分因子，V为外接信号发生器的调制电压，l为波导长度，Δυ为由声信号作用引起的激光频率变化大小；干涉仪的输出为：
其中，A为与光功率成正比的常数项，B为与光源功率和干涉仪可见度相关的系数，为噪声相位；
假设调制电压V可以表示为：
V＝VDC+Vmcos(ωmt) (3)
其中VDC为直流偏置电压，ωm为外接余弦波的频率，则输出光功率可以改写为：
其中，是相位中直流项与噪声项之和，是一个随时间缓慢变化的量，
3)3dB耦合器6通过光纤与带有光电探测器的数据采集卡7相连，输出光功率为I的干涉光信号通过光纤传输到数据采集卡7上，数据采集卡7记录下输出光功率I；
4)数据采集卡7通过PCI总线8与计算机9相连，数据采集卡7将光强信息输出光功率I通过PCI总线8传输到计算机9上，通过PGC算法进行解调，得到最终结果。
参见图2，PGC算法的详细步骤如下：
1)将干涉光进行贝塞尔函数展开，得：
2)将干涉光信号一路乘以一倍频Gcosω0t，一路乘以二倍频Hcos2ω0t，可得到
3)将经过乘法器的两路信号分别进行低通滤波，将所有含ω0及其倍频项均滤去，即
4)将经过低通滤波器的两路信号经过微分，得
5)分别将(8)式与(11)式相乘，(9)式与(10)式相乘，得
6)将(13)式减去(12)式，得
7)对(14)式积分，得
8)对(15)式进行高通滤波并消除系数GHB2J1(C)J2(C)，可将被测信号解调出来。

Claims (8)

1.一种基于铌酸锂相位调制器的相位生成载波解调装置，其特征在于：该装置包括光纤传感器探头、第一3dB耦合器、铌酸锂相位调制器、第二3dB耦合器、数据采集卡和计算机，所述光纤传感器探头接入第一3dB耦合器，所述第一3dB耦合器将光信号分为两路，一路通过铌酸锂相位调制器接入第二3dB耦合器，另一路直接接入第二3dB耦合器，所述第二3dB耦合器与数据采集卡相连，所述数据采集卡与计算机相连。
2.根据权利要求1所述的基于铌酸锂相位调制器的相位生成载波解调装置，其特征在于：所述铌酸锂相位调制器外接信号发生器。
3.根据权利要求2所述的基于铌酸锂相位调制器的相位生成载波解调装置，其特征在于：所述铌酸锂相位调制器通过两根BNC线外接信号发生器。
4.根据权利要求3所述的基于铌酸锂相位调制器的相位生成载波解调装置，其特征在于：所述光纤传感器探头通过传输光纤接入第一3dB耦合器。
5.根据权利要求4所述的基于铌酸锂相位调制器的相位生成载波解调装置，其特征在于：所述数据采集卡通过PCI总线与计算机相连。
6.一种基于权利要求1所述的铌酸锂相位调制器的相位生成载波解调装置的解调方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：
1)由光纤传感器探头传回的携带声音信息的光信号进入第一3dB耦合器后将被分为两路，一路进入铌酸锂相位调制器，一路继续在光纤中传输；
2)上述两路光在第二3dB耦合器合束，并发生干涉，形成了一个迈克尔逊光纤干涉仪；信号发生器发出余弦波，铌酸锂调制器所夹的调制电压V以余弦波形式变化，导致铌酸锂调制器中折射率随着载波频率的变化而变化，继而引起晶体中传输光波的额外相位变化，由铌酸锂调制器带来的相位变化为：
其中，c为光速，G为铌酸锂调制器电极间隙宽度，Γ为重叠积分因子，V为外接信号发生器的调制电压，l为波导长度，Δυ为由声信号作用引起的激光频率变化大小；干涉仪的输出为：
其中，A为与光功率成正比的常数项，B为与光源功率和干涉仪可见度相关的系数，为噪声相位；
3)输出光功率为I的干涉光信号传输到数据采集卡上，数据采集卡记录下输出光功率为I；
4)数据采集卡将输出光功率为I传输到计算机上，通过PGC算法进行解调，得到最终结果。
7.根据权利要求6所述的铌酸锂相位调制器的相位生成载波解调方法，其特征在于：所述步骤2)中假设调制电压V可以表示为：
V＝VDC+Vmcos(ωmt) (3)
其中VDC为直流偏置电压，ωm为外接余弦波的频率，则输出光功率可以改写为：
其中，是相位中直流项与噪声项之和，是一个随时间缓慢变化的量，
8.根据权利要求6或7所述的铌酸锂相位调制器的相位生成载波解调方法，其特征在于：所述步骤4)中PGC算法的详细步骤如下：
4.1)将干涉光进行贝塞尔函数展开，得：
4.2)将干涉光信号一路乘以一倍频G cosω0t，一路乘以二倍频H cos2ω0t，得
4.3)将经过乘法器的两路信号分别进行低通滤波，将所有含ω0及其倍频项均滤去，即
4.4)将经过低通滤波器的两路信号经过微分，得
4.5)分别将(8)式与(11)式相乘，(9)式与(10)式相乘，得
4.6)将(13)式减去(12)式，得
4.7)对(14)式积分，得
4.8)对(15)式进行高通滤波并消除系数GHB2J1(C)J2(C)，可将被测信号解调出来。
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